无人驾驶设计中的传感和感知技术展望

作者：Maura Callahan | Senior Product Marketing Manager, Ansys翻译：Kimi让我们达成一个共识：当你在空中时，知道你的确切位置总是一件好事。问题是，实际上，你的位置并不总是能够被知晓。现代飞行器，无论是将人们从一个地方运送到另一个地方的飞机，还是为亚马逊运送包裹的无人机，都使用来自全球导航卫星系统（GNSS）的射频（RF）信号实时确定位置。然而，构成GNSS的五个卫星网络悬浮在地球表面约20,000公里的高度，到达飞行器天线的信号非常微弱。如果飞机飞过一个更强的RF信号产生干扰的区域——无论是故意还是无意——微弱的GNSS信号可能会丢失。在清除干扰之前，导航系统可能无法计算飞行器的实际位置——如果信号在飞机降落在雾蒙蒙的跑道上时丢失，这将是一个严重的问题。你可以尝试通过记录特定的飞行路径并记录GNSS信号在哪里以及为什么丢失来克服这个问题，但这种方法的问题很多。不仅要探索每一个常见的飞行路径是低效且昂贵的，而且一些信号丢失可能是由天线设计引起的，这可能只影响使用该天线的飞机。此外，飞机经历的一些信号丢失可能是由地面的瞬态源引起的，比如一个使用非法干 扰器来防止收费站跟踪卡车位置的长途卡车司机。幸运的是，德国航空航天中心（DLR）的研究人员找到了一种更优雅、成本效益更高的方法来解决信号中断和位置感知丢失的问题，即使用Ansys的仿真工具。不进行实际飞行就能预测现实结果在他们的论文“航空应用中飞行中GNSS信号接收干扰的虚拟验证”中，作者Veenu Tripathi和Stefano Caizzone描述了他们开发一种确保GNSS信号不受干扰的方法，这种方法最终避免了进行昂贵的飞行以确定GNSS信号可能在哪里以及为什么丢失的需要。使用Ansys HFSS电磁仿真软件和Ansys Systems Tool Kit（STK）数字任务工程软件，Tripathi和Caizzone开发了一个数字孪生模型，重建了整个飞行场景（包括飞行动力学、飞行器上实际使用的天线及其安装对飞机的影响）并使用仿真预测信号接收和干扰。他们展示了使用仿真分析不同天线-飞机配置的飞行性能，以克服特定的干扰场景。Tripathi和Caizzone承担的项目涉及连续的测试和验证阶段。最初，他们使用HFSS软件设计了一个紧凑的（3.5英寸）由五个元素组成的天线阵列（四个专注于L1/E1 GNSS传输带，一个专注于L5/E5a带）。然后，在DLR的半各向异性近场室中建造并测试了天线，测量了由此产生的电磁场，并将其转换为后续仿真中将使用的等效电流。随后，Tripathi和Caizzone使用HFSS软件将天线的网格与飞机的计算机辅助工程（CAE）模型结合起来。这不仅使研究人员能够看到飞机的反射可能如何影响天线的辐射模式，而且使他们能够构建他们将用于验证飞行仿真结果的实际飞机和天线的数字孪生模型。Veenu Tripathi 和 Stefano Caizzone 使用 Ansys HFSS 电磁仿真软件将天线的网格与飞机的计算机辅助工程（CAE）模型相结合，他们稍后将使用这个模型来验证天线在飞行中的模拟性能。Tripathi和Caizzone还利用DLR的设施测量了将用于向飞机路径发送GNSS干扰信号的天线的性能。然后，他们将该性能信息以及飞机和天线组合的性能信息，以及在L1和E1 RF范围内运行的GNSS卫星的下行信号特征，导入到STK软件中。由于STK解决方案旨在支持数字任务工程和系统分析，它为Tripathi和Caizzone提供了构建飞机在飞行中遇到GNSS干扰信号的完整仿真所需的能力。验证模拟结果为了验证他们天线在仿真中的性能结果，Tripathi和Caizzone确实驾驶了一架装有他们HFSS设计的天线的飞机飞越测试课程。他们在GNSS干扰源的存在和不存在的情况下，测量了他们阵列中四个天线的实际飞行性能特征。随后，他们将现实世界的测量结果与使用HFSS和STK解决方案在仿真中产生结果进行了比较，并发现数据集之间有很好的一致性。在干扰信号存在的情况下，每个L1/E1天线元件与11颗不同的全球导航卫星系统（GNSS）卫星之间的连接的实测与任务计算的载噪比数据如下：(a) 天线1。(b) 天线2。(c) 天线3。(d) 天线4。实线 = 实测结果；虚线 = 模拟结果。“G#”和“gps-#”用于识别GPS卫星源。研究人员写道：“通过将实际天线测量和安装性能分析纳入系统飞行场景，我们甚至在飞行之前就可以获得预期飞行性能的宝贵洞察。这种方法允许更真实地表示所涉及的条件和参数，从而更好地洞察和预测测试结果，并节省了多次实际飞行试验所需的大量时间和金钱。这展示了该工具作为预测工具的重要能力，能够规划实验，甚至在特定干扰场景下虚拟模拟各种天线（和）飞机配置，以获得接近实际飞行条件的结果。”来源：老猫电磁馆